Puntos Clave
Las pilas de combustible PEM han pasado de la investigación a su uso validado en ingeniería para el transporte por carretera, el ferrocarril y la energía marina. Los vehículos de pasajeros y de servicio pesado priorizan la densidad de potencia y el repostaje rápido; el ferrocarril se centra en la energía modular y fiable en rutas no electrificadas; los sistemas marinos se enfocan en bajas emisiones locales y una integración segura. Progreso +1
El caso de uso adecuado para las pilas de combustible PEM se define por el ciclo de trabajo, no solo por la eficiencia. Las aplicaciones con largo alcance, alta utilización diaria, cortos periodos de recarga o limitaciones de tamaño/masa para las baterías favorecen las pilas de combustible PEM; los escenarios de trayectos cortos y alta demanda de recarga favorecen los vehículos eléctricos de batería.
El despliegue de vehículos sigue el ritmo de la infraestructura de hidrógeno. A finales de 2023, existían más de 82 000 vehículos de pila de combustible y 930 estaciones de repostaje de hidrógeno en todo el mundo; la densidad regional de estaciones influye notablemente en la viabilidad de la flota y en la rentabilidad operativa. Progreso +1
Los pilotos ferroviarios y marítimos ya están en servicio operativo. Los trenes de hidrógeno de Alstom han completado el servicio de pasajeros y las pruebas de varios miles de kilómetros; el tranvía inteligente de hidrógeno de CRRC ofrece más de 200 km por recarga. Los proyectos marítimos han evolucionado desde embarcaciones de pasajeros de 48 kW hasta soluciones integradas de clase MW en desarrollo.
Los límites comerciales se establecen a nivel de sistema, no a nivel de pila. La viabilidad depende del suministro y el coste fiables del hidrógeno, la complejidad de los demás componentes de la planta, la durabilidad bajo diferentes perfiles de carga (catalizador, membrana, placas bipolares, juntas) y los factores ambientales (arranque en frío, corrosión).
Las placas bipolares son un elemento clave para la fiabilidad de la pila de combustible. Dado que regulan la conducción eléctrica, la distribución de gases, la transferencia de calor, la gestión del agua y la compresión de la pila, el material de las placas, la geometría del campo de flujo, las tolerancias y los recubrimientos afectan directamente al rendimiento a largo plazo.
Las arquitecturas híbridas equilibran la energía continua y la potencia transitoria. Una pila de combustible PEM puede proporcionar energía sostenida, mientras que una batería gestiona las cargas máximas, el frenado regenerativo y los cambios de carga a corto plazo; la arquitectura óptima depende del perfil de funcionamiento.
Desde el nacimiento de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) en la década de 1950, científicos de todo el mundo no han cesado en su investigación exhaustiva sobre estas pilas. Esto ha propiciado avances significativos en rendimiento, vida útil y coste, lo que ha dado lugar a su amplia aplicación en el transporte, fuentes de energía portátiles y generación de energía distribuida, impulsando gradualmente la comercialización de las PEMFC.
Según GLOBE NEWSWIRE (Market.us), el 9 de enero de 2024, el mercado de producción de hidrógeno alcanzó los 177 millones de dólares en 2023 y se prevé que crezca significativamente hasta los 489.2 millones de dólares en 2033. Entre 2024 y 2033, se espera que este mercado experimente la mayor tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC), del 10.7 %. El mercado del hidrógeno en este contexto abarca las industrias dedicadas a la producción, el almacenamiento y la distribución de hidrógeno.
El hidrógeno tiene un gran potencial en el sector de las energías limpias, especialmente como combustible para pilas de combustible y como materia prima en procesos industriales, lo que permite reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Por consiguiente, la demanda de hidrógeno ha ido en aumento. Entre las distintas tecnologías de pilas de combustible, las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (MIME) combinan una temperatura de funcionamiento relativamente baja, una arquitectura de pila compacta y una alta densidad de potencia, lo que las hace idóneas para numerosas aplicaciones de movilidad y generación de energía distribuida. A continuación, presentaremos las aplicaciones prácticas de las pilas de combustible MIME en vehículos, transporte ferroviario y energía marina.
¿Por qué las pilas de combustible PEM son adecuadas para determinadas aplicaciones?
Las pilas de combustible PEM no son igualmente adecuadas para todos los escenarios de electrificación. Sus aplicaciones más prometedoras suelen ser aquellas en las que la densidad de potencia, el rango de funcionamiento, la rápida recarga de energía, el diseño compacto del sistema y las bajas emisiones locales son importantes simultáneamente.
En comparación con los sistemas de energía basados en la combustión, las celdas de combustible PEM generan electricidad electroquímicamente y pueden operar con bajas emisiones locales cuando se les suministra hidrógeno. Según el Departamento de Energía de EE. UU., las celdas de combustible PEM operan a temperaturas relativamente bajas y pueden arrancar rápidamente , razón por la cual son particularmente adecuadas para aplicaciones de transporte como automóviles, autobuses y camiones pesados.
El valor de las pilas de combustible PEM se hace más evidente cuando se consideran los requisitos de la aplicación, en lugar de analizar únicamente la eficiencia de la pila de combustible.
| Aplicación | Por qué PEMFC puede encajar | Prioridad principal de ingeniería |
|---|---|---|
| Vehículo de pasajeros | Repostaje rápido y tren motriz eléctrico compacto. | Densidad de potencia, arranque en frío, costo |
| vehículos pesados | Gran autonomía y alta utilización del vehículo. | Durabilidad, potencia continua, almacenamiento de hidrógeno |
| Transporte ferroviario | Alternativa al diésel en determinadas rutas no electrificadas. | Fiabilidad, potencia modular, repostaje |
| Sistemas marinos | Bajas emisiones locales e integración híbrida flexible | Durabilidad, seguridad, resistencia a la corrosión |
| Potencia de respaldo | Períodos de espera prolongados con disponibilidad de energía rápida | Fiabilidad, almacenamiento de hidrógeno, bajo mantenimiento |
| Potencia estacionaria | generación distribuida de electricidad | Vida útil, eficiencia, costo del sistema |
| Sistemas portátiles y fuera de la red | Operación prolongada en zonas con acceso limitado a la red eléctrica. | Peso, compacidad, logística de combustible |
Esto significa que la selección de una pila de combustible PEM debe comenzar con el ciclo de trabajo operativo. Un vehículo de pasajeros, un camión de larga distancia, un barco y un sistema de energía de respaldo pueden usar pilas de combustible PEM, pero imponen requisitos muy diferentes al conjunto.
Estas diferencias también afectan al diseño de los componentes. Los sistemas automotrices suelen priorizar placas bipolares de celdas de combustible delgadas y ligeras , un diseño compacto, una respuesta transitoria rápida y una baja resistencia eléctrica. Los sistemas estacionarios y de servicio pesado pueden hacer mayor hincapié en la durabilidad a largo plazo, la resistencia a la corrosión, la compresión estable y un rendimiento constante durante períodos de funcionamiento prolongados.
Por este motivo, las aplicaciones de las pilas de combustible PEM deben evaluarse como casos de uso de ingeniería, en lugar de como una simple lista de mercados.
Vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV)
Ya en 1966, General Motors desarrolló el primer vehículo de carretera con pila de combustible del mundo, llamado Chevrolet Electrovan. Este vehículo utilizaba una pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) como fuente de energía, con una potencia de salida de 5 kW, una autonomía de 193 km y una velocidad máxima de 113 km/h.
Posteriormente, países como Estados Unidos, la Unión Europea, Japón, Corea del Sur y China invirtieron importantes fondos y recursos humanos para promover la investigación de vehículos de pila de combustible. Empresas como General Motors, Ford, Toyota, Honda y Mercedes-Benz han desarrollado sucesivamente vehículos de pila de combustible. Por ejemplo:
General Motors (GM): Desarrolló un vehículo de pila de combustible basado en la plataforma del SUV Equinox, que debutó en 2007 y se utilizó principalmente para proyectos de demostración y prueba.
Ford: Desarrolló un vehículo de pila de combustible basado en el Ford Focus, que fue probado y utilizado en proyectos de demostración a principios de la década de 2000.
Toyota: En 2014 lanzó el primer vehículo de pila de combustible producido en masa y disponible comercialmente del mundo. La segunda generación del Mirai, lanzada en 2021, ofrece un mayor rendimiento y una mayor autonomía.
Honda lanzó un vehículo de pila de combustible en 2008, convirtiéndose en el primero en ofrecerse a consumidores comunes mediante arrendamiento. El modelo de tercera generación, lanzado en 2015, presentó mejoras en autonomía y tecnología.
Los principales fabricantes de automóviles han logrado avances significativos en el campo de los vehículos de pila de combustible, presentando una serie de modelos innovadores. Estos modelos no solo representan la trayectoria de desarrollo de la tecnología de pila de combustible, sino que también sientan las bases para su comercialización.
Para comprender mejor el estado actual de este campo, podemos analizar los datos más recientes para obtener una visión más clara. A finales de 2023, el número total de vehículos de pila de combustible superó los 82,000, un aumento interanual del 21.4%. Corea del Sur sigue liderando con un total acumulado de 34,000 vehículos de pila de combustible. China ocupa el segundo lugar a nivel mundial, con más de 18,000 vehículos de pila de combustible, superando a Estados Unidos. Solo en 2023, China añadió casi 6,000 vehículos, el mayor aumento a nivel mundial. Japón y Alemania tienen más de 8,500 y 2,900 vehículos de pila de combustible, respectivamente. En cuanto a la infraestructura esencial, la construcción de estaciones de repostaje de hidrógeno en los principales países y regiones del mundo ha progresado de forma constante. A finales de 2023, había 930 estaciones de repostaje de hidrógeno operativas a nivel mundial, un aumento interanual del 12.2%. Europa y Norteamérica contaban con 188 y 65 estaciones, respectivamente, mientras que el sudeste asiático tenía 650 estaciones. (Estos datos provienen de estadísticas oficiales publicadas por varios países, y se agradecen las correcciones si se detecta algún error).
Los datos indican que el despliegue de vehículos con pila de combustible está estrechamente ligado a la disponibilidad de infraestructura de repostaje de hidrógeno. Para quienes evalúan el ciclo energético completo de los vehículos, nuestra guía sobre el repostaje de vehículos de hidrógeno y el funcionamiento de las pilas de combustible explica la relación entre el almacenamiento de hidrógeno a bordo, el repostaje y la generación de energía mediante pilas de combustible.
Transporte ferroviario con pilas de combustible de hidrógeno
Además de los vehículos de pila de combustible, la aplicación de la tecnología de pila de combustible de hidrógeno en el transporte ferroviario también ha experimentado un progreso significativo. En 2017, Alstom, en Francia, impulsó el tren de pila de combustible de hidrógeno, que alcanzó una velocidad de 140 km/h y una autonomía de entre 600 y 800 km. Desde mediados de junio hasta finales de septiembre de 2023, Alstom transportó a más de 10 000 pasajeros, realizó más de 130 viajes y recorrió una distancia de 10 660 kilómetros en un proyecto de demostración. Este proyecto utilizó trenes propulsados por hidrógeno verde, lo que permitió ahorrar aproximadamente 8,400 litros de diésel y evitar la emisión de 22 toneladas de CO₂ durante el periodo de prueba.
Recientemente, en julio de 2024, el tranvía inteligente de hidrógeno, desarrollado de forma independiente por el Instituto CRRC Zhuzhou en China, salió de la línea de producción en Yibin, Sichuan, y se espera que entre en funcionamiento en agosto. Este tranvía es el primer vehículo de transporte ferroviario ecológico de nueva generación desarrollado de forma independiente en el mundo, que combina las ventajas del transporte ferroviario y por carretera. El tranvía inteligente utiliza tecnología innovadora de guiado autónomo y seguimiento de raíles, y se caracteriza por una baja inversión en infraestructura, ciclos de construcción cortos, horarios flexibles, bajas emisiones de carbono, respeto al medio ambiente y comodidad inteligente. En términos de eficiencia operativa, utiliza un sistema de almacenamiento de hidrógeno de 35 MPa y un sistema de pila de combustible de alta potencia, caracterizado por una alta eficiencia de conversión de energía y una rápida recarga de hidrógeno, lo que mejora significativamente la eficiencia operativa del vehículo. En cuanto a la autonomía, el tranvía inteligente de hidrógeno tiene un mayor alcance. Una sola recarga de hidrógeno permite que el tranvía recorra más de 200 kilómetros, satisfaciendo las necesidades operativas de larga distancia del transporte público urbano. Proporciona una solución innovadora para sistemas de transporte ferroviario de capacidad media a baja que equilibra las ventajas de capacidad y coste para el transporte urbano.
Además, la aplicación de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno en tranvías está cada vez más desarrollada en Estados Unidos, Japón, España y Francia. En 2022, el mercado mundial de trenes con pilas de combustible de hidrógeno alcanzó un valor de 1.45098 millones de dólares. Los expertos señalan que, para 2030, se prevé que este valor de mercado supere los 3.4 millones de dólares, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 11.5%.
Energía para barcos mediante pilas de combustible
Ante la creciente presión ambiental y la visión de alcanzar el pico de emisiones de carbono y la neutralidad de carbono, la industria naval está acelerando la exploración de combustibles alternativos para buques. Según un informe reciente de la American Bureau of Shipping (ABS), el gas natural licuado (GNL), como combustible relativamente maduro y con bajas emisiones de carbono, se ha promovido y aplicado en el sector marítimo. La industria marítima está evaluando diversos combustibles alternativos y tecnologías de propulsión, como metanol, amoníaco, hidrógeno, baterías y pilas de combustible. En el caso específico de los buques propulsados por hidrógeno, el almacenamiento seguro de hidrógeno, la integración de sistemas, la gestión de riesgos y la aprobación regulatoria son consideraciones de ingeniería cruciales.
Países y regiones como Europa, Estados Unidos, Japón y Corea del Sur han tomado la delantera en la investigación y el diseño de pilas de combustible marinas. Actualmente, se encuentran a la vanguardia en aplicaciones de ingeniería y promoción, con numerosos proyectos de aplicación y demostración que involucran sistemas de propulsión con pilas de combustible marinas.
En 2008, el Alsterwasser, un buque de pasajeros con pila de combustible de membrana de intercambio de protones de 48 kW, botado por el proyecto alemán Zemships, comenzó oficialmente sus operaciones en el río Alster, convirtiéndose en el primer buque de pasajeros del mundo con propulsión eléctrica mediante pila de combustible en funcionamiento.
El proyecto de demostración del sistema marino de pila de combustible “FellowSHIP”, financiado por Noruega, presentó en 2009 el Viking Lady, un buque de suministro en alta mar equipado con un sistema de energía de pila de combustible de 320 kW. Este buque, desarrollado en colaboración con varias sociedades de clasificación y empresas europeas, fue el primer buque operativo del mundo en utilizar la tecnología de pila de combustible para la generación de energía a bordo.
En 2017, el Energy Observer, desarrollado en Francia, fue botado e inició su travesía global. La pila de combustible de este buque utiliza hidrógeno producido mediante un sistema de electrólisis alimentado por energía solar y eólica, almacenado en tanques. Este sistema de pila de combustible de hidrógeno impulsa el barco durante días nublados, por la noche y en las etapas iniciales de viajes largos, convirtiéndolo en el primer buque del mundo capaz de producir su propio hidrógeno.
En 2018, la empresa canadiense Ballard Power Systems anunció el desarrollo de sistemas de pilas de combustible de membrana de intercambio de protones de megavatios (MW) para aplicaciones marinas, centrándose en cruceros. El objetivo es suministrar energía cuando los cruceros estén atracados en puerto o servir como propulsión principal durante su navegación.
En 2024, Advent Technologies y Siemens Energy firmaron un Acuerdo de Desarrollo Conjunto (JDA) para integrar el módulo de membrana de intercambio de protones de alta temperatura (HT-PEM) de 50 kW de Advent, basado en la tecnología de ensamblaje de electrodos de membrana de pares iónicos (MEA), con las soluciones de electrificación y automatización marina híbridas y eléctricas de Siemens Energy. El objetivo es desarrollar una solución integrada de 500 kW para aplicaciones marítimas, que abarcan desde yates a motor y megayates hasta transbordadores y buques portacontenedores/comerciales.
Pilas de combustible PEM frente a baterías: ¿Qué aplicaciones se adaptan mejor a cada tecnología?
Las pilas de combustible PEM y las baterías son tecnologías de energía electroquímica, pero resuelven problemas de almacenamiento y funcionamiento de energía diferentes. Por lo tanto, la cuestión no es si las pilas de combustible son universalmente mejores que las baterías, sino qué tecnología se adapta mejor al ciclo de trabajo de una aplicación específica.
Los sistemas de baterías almacenan energía eléctrica directamente y son muy eficaces cuando se dispone de infraestructura de carga, la autonomía es moderada y los vehículos o equipos pueden permanecer conectados a un cargador durante períodos suficientes.
Los sistemas de pilas de combustible PEM generan electricidad de forma continua a partir del hidrógeno almacenado a bordo mediante reacciones electroquímicas dentro del conjunto. Comprender el funcionamiento de las pilas de combustible PEM ayuda a explicar por qué se comportan de manera diferente a los sistemas de baterías en cuanto a almacenamiento de energía, recarga, autonomía y arquitectura del sistema.
| Requisito | Sistema de batería | Sistema de pila de combustible PEM |
|---|---|---|
| Fuente de energía | Electricidad almacenada en la batería | Hidrógeno convertido en electricidad |
| Reposición de energía | Carga | Repostaje de hidrógeno |
| Servicio de corta distancia | A menudo resulta muy adecuado. | Puede añadir complejidad innecesaria al sistema. |
| Larga duración de funcionamiento | Requiere una mayor capacidad de batería. | Puede aumentar el tiempo de funcionamiento mediante el almacenamiento de hidrógeno. |
| Operación de alta utilización | El tiempo de inactividad de carga debe ser gestionado | El repostaje rápido puede permitir operaciones repetidas. |
| Requerimientos de infraestructura | Red eléctrica y de recarga | Producción, transporte y repostaje de hidrógeno |
| Complejidad del sistema | Sistemas de baterías, térmicos y de control | Pila de pilas de combustible, almacenamiento de hidrógeno y sistema auxiliar de planta. |
Para los vehículos de pasajeros utilizados principalmente para trayectos cortos diarios, los sistemas eléctricos de batería pueden ofrecer una vía energética más sencilla cuando la recarga está fácilmente disponible.
Las pilas de combustible PEM resultan más atractivas cuando los requisitos operativos se orientan hacia una mayor autonomía, un alto uso diario, intervalos de repostaje cortos o aplicaciones en las que añadir más capacidad de batería aumenta significativamente la masa del sistema o los requisitos de embalaje.
Esta es una de las razones por las que el desarrollo de las pilas de combustible se suele debatir en relación con el transporte pesado por carretera, el ferrocarril, los sistemas marítimos y otras aplicaciones con exigentes horarios de funcionamiento.
También son posibles las arquitecturas híbridas. Una pila de combustible PEM puede proporcionar energía sostenida, mientras que una batería gestiona la demanda de energía transitoria, el frenado regenerativo o los cambios de carga a corto plazo. La arquitectura adecuada depende del perfil de funcionamiento, más que de un único valor de eficiencia o densidad energética.
Por lo tanto, la elección de la tecnología práctica debe tener en cuenta el sistema completo: fuente de energía, infraestructura, horas de funcionamiento, tiempo de repostaje o carga, embalaje, vida útil, coste y mantenimiento.
¿Qué limita la implementación de las pilas de combustible PEM?
La capacidad técnica para utilizar una pila de combustible PEM no la convierte automáticamente en la mejor solución para una aplicación. Su implementación comercial también depende de la disponibilidad de hidrógeno, la infraestructura, el coste del sistema, la durabilidad y las condiciones de funcionamiento.
Infraestructura de hidrógeno
Las pilas de combustible PEM requieren un suministro fiable de hidrógeno. Para las aplicaciones de movilidad, esto también implica tener acceso a una infraestructura de repostaje adecuada.
Un vehículo o sistema ferroviario de pila de combustible técnicamente capaz tiene un valor práctico limitado si no se puede suministrar hidrógeno en la ubicación, presión, volumen y coste requeridos. Por lo tanto, la infraestructura debe evaluarse junto con el sistema de pila de combustible, en lugar de como un aspecto independiente.
Costo del sistema
La pila de combustible es solo una parte del sistema completo.
Un sistema PEMFC completo también puede requerir:
- almacenamiento de hidrógeno,
- suministro de aire,
- humidificación,
- gestión térmica,
- bombas y válvulas,
- sensores y controles,
- electrónica de potencia.
Por lo tanto, la viabilidad económica debe evaluarse a nivel de sistema, en lugar de comparar únicamente el coste de la pila.
Durabilidad y ciclo de trabajo
Las distintas aplicaciones imponen exigencias muy diferentes en cuanto a la durabilidad de las pilas de combustible PEM.
Los vehículos de pasajeros experimentan cambios frecuentes de carga y funcionamiento con paradas y arranques constantes. El transporte de cargas pesadas puede requerir largos periodos con cargas elevadas. Las aplicaciones marítimas y estacionarias pueden funcionar durante periodos prolongados con menos paradas.
Estos perfiles operativos afectan la degradación del catalizador, la durabilidad de la membrana, el rendimiento de las placas bipolares , el sellado, los ciclos térmicos y la gestión del agua. Dado que las placas bipolares influyen simultáneamente en la conducción eléctrica, la distribución de gases, la transferencia de calor, la gestión del agua y la compresión de la pila, su diseño puede afectar directamente la fiabilidad de la pila a largo plazo.
Condiciones ambientales
La temperatura, la humedad, las vibraciones, los contaminantes y las condiciones de exposición también pueden determinar si una arquitectura de celda de combustible PEM es viable.
Las aplicaciones en climas fríos, por ejemplo, requieren estrategias específicas para la eliminación de agua, la prevención de la congelación y el arranque en frío. Los entornos marinos pueden poner mayor énfasis en la protección contra la corrosión y la seguridad del sistema.
Por lo tanto, la selección de la aplicación debe tener en cuenta tanto las ventajas de las pilas de combustible PEM como el entorno en el que debe operar el conjunto.
Conclusión
Las secciones anteriores detallan las aplicaciones prácticas de las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico en vehículos, transporte ferroviario, sistemas marinos y otros escenarios que requieren alta potencia. A medida que se expanden las aplicaciones de las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico, los diseñadores deben equilibrar la densidad de potencia, la durabilidad, la distribución del flujo, la resistencia a la corrosión, la gestión térmica y el costo de fabricación.
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Si está desarrollando una pila de celdas de combustible PEM, envíe el plano de su placa bipolar para su revisión de fabricación, indicando el material, el espesor, las dimensiones de la placa, la geometría del campo de flujo, los requisitos de tolerancia, los requisitos de recubrimiento y el volumen de producción previsto.
